OpenFOAM的程序开发初步共21页.docx

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OpenFOAM的程序开发初步共21页

OpenFOAM的程序开发初步（chūbù）

一.OpenFOAM应用（yìngyòng）的类型：

使用OpenFOAM进行CAE模拟的，大致可分为（fēnwéi）三种类型：

1）直接利用OpenFOAM的标准的求解器进行模拟，把OpenFOAM替代商业软件来使用，OpenFOAM已基本具有（jùyǒu）这样的功能和人气，与Fuent，Star-CD等相比较，OpenFOAM显然具有更高的求解效率和灵活性。

2）用户自定义求解器，即利用OpenFOAM的基本类库，如finiteVolume，OpenFOAM库来按照自己的求解流程来编写针对某类应用的求解器。

用户需要开发的求解器就是类似于在OpenFOAM的applications中所看到的标准求解器icoFOAM，simpleFOAM等。

显然这一需求是非常大的，从OpenFOAM问世以来，已有很多用户定义了自己的求解器。

这类需求的特点是，并不需要特别关心，离散和求解的最底层的知识，如时间项离散，空间项离散等，关注的重点是求解的步骤或者流程。

在编程中，通常是顶层的求解流程的开发，在多数情况下可以不编译OpenFOAM的finiteVolume和OpenFOAM库。

这种顶层的求解器的开发，是我们以前常常忽略的，或者是以前没有能力做到的。

需要指出的是，商业软件中的所谓udf，usersubroutine和这是不可相比的。

3）用户自己定义离散方法等。

对于研究离散格式、代数求解器等人来说，更关注时间项ddt，扩散项Laplacian，对流项div是如何离散的，能否有更高效更高精度的离散方法，这需要修改finiteVolume库和OpenFOAM库中对应的代码。

尤其是对流项，尽管OpenFOAM已经提供了基于NVD和TVD的模板和40多种有名的高阶高精度格式，但可以预见，这仍然是不够的，毕竟对流项的离散仍然是目前CFD的重点研究方向。

可以肯定的是，目前（mùqián）有很多人关注类型2的应用，毕竟将OpenFOAM当成Fluent或Star-CCM来使用（shǐyòng），并不见得方便。

但是将OpenFOAM作为类库来构建自己的求解器，这是其它软件无法实现的

OpenFOAM的程序开发初步（chūbù）

二．OpenFOAM程序开发的基本知识

2.1OpenFOAM的基本（jīběn）术语

重要的环境变量:

$WM_PROJECT_USER_DIR――OpenFOAM的用户目录

$FOAM_TUTORIALS------OpenFOAM的算例目录

$FOAM_SRC------OpenFOAM库的源程序目录

$FOAM_APP------OpenFOAM的求解器目录

$FOAM_APPBIN-------OpenFOAM的求解器执行文件目录

$FOAM_RUN------用户的算例目录

重要的shell：

run＝cdto$FOAM_RUN

src=cdto$FOAM_SRC

app=cdto$FOAM_APP

util=cdto$FOAM_APP/utilities

sol=cdto$FOAM_APP/solvers

tut=cdto$FOAM_TUTORIALS

求解（qiújiě）器的基本文件结构

appName包含求解（qiújiě）器源代码的目录

+appName.C求解（qiújiě）器主程序

＋CreateFields.H场变量（biànliàng）的声明和初始化

+Make/编译指令

+files编译需要的源程序文件和生成的目标文件

+options编译选项,如链接库等

appName/appName.C是求解器的主程序

appName/createFields.H声明变量，并从文件中读入初值，如p，物性。

appName/Make/files所有源程序的名称，一个文件一行，最后一行是目标代码的名称和存放位置，EXE=$（FOAM_USER_APPBIN）/appName

appName/Make/options设定查找头文件和库的路径，EXE_INCS,和需要链接的库EXE_LIBS

算例的基本文件（wénjiàn）结构

case/算例目录（mùlù）

+0/包含（bāohán）初始和边界条件

+constant/包含初次读入后，不随时间变化（biànhuà）的数据

+polyMesh/包含多面体网格数据

+transportProperties/包含物性数据

+system/包含计算控制和离散格式设定

+controlDict包含计算控制，如时间步长等

+fvSchemes包含离散格式设定

+fvSolutions包含代数求解器或SIMPLE，PISO算法设定

具体而言

case/0每个需求解的变量需要一个文件设定其初始边界条件

case/constant/polyMesh网格数据，如ownerneighbourpointsfacesboundary

case/system/transportProperties物性数据

case/system/controlDict设定起始终止时间，时间步长，输出控制

case/system/fvSchemes设定程序用到的每个微分算子的离散格式

case/system/fvSolution为每个变量选择代数方程求解器/收敛精度及PISO等算法设定

三．OpenFOAM程序开发的理论知识

作求解开发，必须（bìxū）能写出需要求解的控制方程及其定解条件，并且对于如何求解方程或方程组的步骤已经明确。

这些流体力学（lìxué）、传热学以及相关的理论是必需的，所谓连续介质力学中的数学模型，控制方程和定解条件（tiáojiàn）就是（jiùshì）表示它的语言。

在这里是不可能说清楚的，这要看个人的功底了。

四.OpenFOAM程序开发的最简单的例子

下面采用OpenFOAM来开发一个用户自己的求解器。

主要是利用OpenFOAM的标准求解器icoFoam，用户不需要写任何代码，只为为了熟悉OpenFOAM程序开发的环境和步骤。

步骤：

1）将icoFoam目录拷贝到新的目录

可采用下面的Linux的命令实现：

到OpenFOAM的incompressible目录

cdapplications/incompressible

cp–ricoFoammyicoFoam

以上只是复制目录icoFoam到新的位置，并且新目录名为myicoFoam

cdmyicoFoam

进入新的目录，查看一下，可以看到里面的文件和icoFoam中是否一样

2）原文件改名，并且（bìngqiě）删除依赖文件

将icoFoam.C改名myicoFoam.C

mvicoFoam.CmyicoFoam.C

删除依赖（yīlài）文件

rmicoFoam.dep

3）修改编译（biānyì）文件files和options

进入Make目录（mùlù），打开files文件

将

icoFoam.C源程序文件名

EXE=$（FOAM_APPBIN）/icoFoam可执行文件名

修改为

myicoFoam.C源程序文件名

EXE=$（FOAM_APPBIN）/myicoFoam可执行文件名

此例中options不需修改，可以打开看看

EXE_INC=\头文件包含

-I$（LIB_SRC）/finiteVolume/lnInclude

EXE_LIBS=\链接库

-lfiniteVolume

4）删除原来的obj文件

rm–rflinuxGccDPOpt

cd..

5）编译（biānyì）

wmake

6）检验（jiǎnyàn）一下

到tutorial目录（mùlù），检验一下

myicoFoam.cavity

六.OpenFOAM程序开发――例子（lìzi）一：

在icoFoam中加入温度场求解

准备：

能量控制方程：

dT/dt+div（den*U*T）=div（agradT）

在壁面上给定值条件。

需要解决的问题：

a）如何创建标量场，T

b）如何创建物性，a

c）如何定义温度方程，并求解

d）如何在算例中设定T和a

e）如何设定T的离散格式

f）如何设定T的求解器的收敛标准等

步骤：

1）创建程序需要的新物性和新变量场

打开myicoFoam.C可以看到，程序（chéngxù）开始运行时调用CreateFields.H，创建变量场。

打开CreateFields.H，可以看到程序首先（shǒuxiān）从transportProperties文件中读入物性，

Info<<"ReadingtransportProperties\n"<

IOdictionarytransportProperties

（

IOobject

（

"transportProperties",从字典（zìdiǎn）文件transportProperties读入

runTime.constant（）,//transportProperties文件（wénjiàn）位于目录runTime.constant（）中

mesh,网格对象

IOobject:

:

MUST_READ,

IOobject:

:

NO_WRITE

）

）;创建了Iodictionary类型对象transportProperties

dimensionedScalarnu//首先读入粘性系数

（

transportProperties.lookup（"nu"）

）;创建有量纲（liànɡɡānɡ）标量nu，nu通过从字典transportProperties查找”nu”来赋值

可以加上新方程需要（xūyào）的物性

dimensionedScalarDT//首先（shǒuxiān）读入热扩散率

（

transportProperties.lookup（"DT"）

）;创建（chuàngjiàn）有量纲标量DT，DT通过从字典transportProperties查找”DT”来赋值

此外还要从createFields中读入p,U场，我们要加入的新的变量场为温度场T，最快的加入温度场的方法是拷贝p场的代码，修改为

Info<<"ReadingfieldT\n"<

volScalarFieldT

（

IOobject

（

"T",

runTime.timeName（）,

mesh,

IOobject:

:

MUST_READ,

IOobject:

:

AUTO_WRITE

）,

mesh

）;

这样，创建（chuàngjiàn）了新的vol标量场T，从文件T中读入。

对于T的创建具体解释（jiěshì）如下：

a）创建（chuàngjiàn）了标量场T

b）T通过读（IOobject:

:

MUST_READ）在runTime.timeName（）目录下名称为“T”的文件创建，在开始计算（jìsuàn）时，runTime.timeName（）是contorlDict中设定的startTime值决定的。

c）T将自动写入（IOobject:

:

AUTO_WRITE）计算结果到runTime.timeName（）目录中，runTime.timeName（）随迭代是变化的，写入控制由contorlDict中设定。

d）T是定义在mesh对象上的，这意味着T在内部cell上有值internalField，在边界上还需要边界条件，这与polyMesh/boundary中要一致。

2）在求解器中加入新的求解方程

下一步回到myicoFoam.C加入新的微分方程，由于温度场依赖于速度场，可放在PISO循环后面。

#include"continuityErrs.H"

U-=rUA*fvc:

:

grad（p）;

U.correctBoundaryConditions（）;

//Addthetemperatureequation

fvScalarMatrixTeqn温度是标量（biāoliàng）方程

（

fvm:

:

ddt（T）

+fvm:

:

div（phi,T）要用到界面（jièmiàn）流量

-fvm:

:

laplacian（DT,T）扩散（kuòsàn）项

）;

TEqn.solve（）;求解（qiújiě）

3）编译

wmake

4）在算例中加入新方程的初始和边界条件

4.1拷贝一个cavity算例到mycavity

4.2修改transportProperties字典文件，设定DT

cdconstant

修改transportProperties文件，前面已提到DT要从该字典文件读入。

设定DT=0.002m2/s

DTDT[02-10000]0.002;

4.3修改（xiūgǎi）T文件，设定初始值和边界

cd0进入（jìnrù）0目录

拷贝一个（yīɡè）T文件

cppT

修改（xiūgǎi）T文件为

FoamFile

{

version2.0;

formatascii;

classvolScalarField;

objectT;

}

//*************************************//

dimensions[0001000];

internalFielduniform300;初始内部点为300℃

movingWall

{

typefixedValue;

valueuniform350.;边界（biānjiè）为350℃

}

fixedWalls

{

typefixedValue;

valueuniform300.;边界（biānjiè）为300℃

5）修改离散格式和代数求解（qiújiě）器求解控制文件

A进入（jìnrù）system目录

由于温度方程有非稳态项，对流项，扩散项，分别要在ddt，div，laplacian中设置

打开fvSchemes文件，添加

divSchemes

{

defaultnone;

div（phi,U）Gaussupwind;

div（phi,T）Gaussupwind;

}

laplacianSchemes

{

defaultnone;

laplacian（nu,U）Gausslinearcorrected;

laplacian（DT,T）Gausslinearcorrected;

laplacian（（1|A（U））,p）Gausslinearcorrected;

}

在fvSolution中设置（shèzhì）代数求解器选项

TPBiCG

{

preconditionerDILU;

tolerance1e-06;

relTol0;

};

注意T方程（fāngchéng）形成的矩阵是非对称的，不要用PCG和DIC

6）运行（yùnxíng）

myicoFoam.mycavity

七.OpenFOAM程序开发――求解（qiújiě）器的详细分析1

进入icoFoam目录

可以看到

createFields.HicoFoam.CicoFoam.depMake/

Make/为wmake编译（biānyì）所需的文件

IcoFoam.C为主程序（chéngxù）文件，它包含createFields.H

编辑（biānjí）icoFoam.C

可以（kěyǐ）看到icoFoam.C首先引入的头文件为fvCFD.H。

所以你可以看到，在编译选项options中

EXE_INC=\

-I$（LIB_SRC）/finiteVolume/lnInclude//fvCFD.H的存放目录

EXE_LIBS=\

-lfiniteVolume//需要链接的库

找到fvCFD.H,编辑，可以看出这些是主程序必须的类库

#ifndeffvCFD_H

#definefvCFD_H

#include"parRun.H"

#include"Time.H"时间类

#include"fvMesh.H"网格类

#include"fvc.H"fvc类

#include"fvMatrices.H"fvMatrix类

#include"fvm.H"fvm类

#include"linear.H"

#include"calculatedFvPatchFields.H"

#include"fixedValueFvPatchFields.H"

#include"adjustPhi.H"

#include"findRefCell.H"

#include"mathematicalConstants.H"

#include"OSspecific.H"

#include"argList.H"

#ifndefnamespaceFoam

#definenamespaceFoam

usingnamespaceFoam;

#endif

#endif

再看看icoFoam的程序体,了解一下（yīxià）求解程序的结构

#include"fvCFD.H"――――――――――――――――（头文件）

通常位于（wèiyú）main函数前，是程序所需的类的定义

//*************************************//

intmain（intargc,char*argv[]）

{

―――――――――――――――（包含（bāohán）文件）

#include"setRootCase.H"

#include"createTime.H"

#include"createMesh.H"

―――――――――――包含文件通常（tōngcháng）是程序片断，如创建时间、创建网格等

―――――――――――――――（求解（qiújiě）器代码）――――――

#include"createFields.H"

需要根据应用，单独写的代码（dàimǎ），如"createFields.H"和Main，以及Ueqn，pEqn等

―――――――――――――――――――――――――――――――――――――

#include"initContinuityErrs.H"

//*************************************//

。

。

。

。

。

}

八.OpenFOAM程序开发――求解（qiújiě）器的详细分析2

a.场变量（biànliàng）的定义

引用（yǐnyòng）前面的温度场

Info<<"ReadingfieldT\n"<

volScalarFieldT

（

IOobject

（

"T",

runTime.timeName（）,

mesh,

IOobject:

:

MUST_READ,

IOobject:

:

AUTO_WRITE

）,

mesh

）;

例如（lìrú）

volScalarFieldCO2

（

IOobject

（

"CO2",

runTime.timeName（）,

mesh,

IOobject:

:

READ_IF_PRESENT,

IOobject:

:

AUTO_WRITE

）,

mesh,

//Optionaldeclaration,thiscanbedonebyaccessingafilein"case/0/"，量纲（liànɡɡānɡ）可在文件中读

//dimensionedScalar（"zero",dimensionSet（1,-1,-3,0,0,0,0）,value）

）;

b.场变量（biànliàng）的使用

场变量有定义（dìngyì）在内部cell上的值，也有边界上的值

例如（lìrú）给组分限值

Exampleofamassfractionlimiterusedinthisproject:

//InitializethevariableY_iforuseinaloop

scalarField&CO2Internal=CO2.internalField（）;引用内部点

//Loopforallmeshpoints遍历内部点

forAll（CO2,celli）

{

//Limitsthemassfractiontoapositivenumber

if（CO2Internal[celli]<0.0）

{

CO2Internal[celli]=0.0;

}

//Limitsthemassfractiontomax1.0

if（CO2Internal[celli]>1.0）

{

CO2Internal[celli]=1.0;

}

}

c.定义（dìngyì）输运方程

OpenFOAM定义方程（fāngchéng）时要选择一种类型的fvMatrix，有fvScalarMatrix和fvVectorMatrix

离散（lísàn）格式在case/system/fvSchemes.中设定

//DefineaScalarMatrixasaobject

fvScalarMatrixCO2Eqn定义（dìngyì）系数矩阵

（

fvm:

:

div（phi,CO2）对流项离散fvm:

:

div

-fvm:

:

laplacian（turbulence->nuEff（）,CO2）扩散项离散fvm:

:

div

==S_CO2源项

）;

//Applyunderrelaxationtotheequation

//Underrelaxationfactorsdefinedinfile:

fvSolution

CO2Eqn.relax（）;松弛（sōnɡchí）

CO2Eqn.solve（）;求解（qiújiě）

内容摘要

（1）OpenFOAM的程序开发初步

一.OpenFOAM应用的类型：

使用OpenFOAM进行CAE模拟的，大致可分为三种类型：

1）直接利用OpenFOAM的标准的求解器进行模拟，把OpenFOAM替代商业软件来使用，OpenFOAM已基本具有这样的功能和人气，与Fuent，Star-CD等相比较，OpenFOAM显然具有更高的求解效率和灵活性

（2）c）T将自动写入（IOobject:

:

AU